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本论文在简要回顾超导电性物理的发展和高温铜氧化物超导体近来所取得的研究进展后,着重介绍了本人在这三年攻读博士学位期间所做的主要研究工作。研究的主要目的是利用高压技术探索R123体系中超导电性与磁性共存的可能性。
我们利用高温高压充氧的手段,合成了具有高Fe含量的、Tc高达80K的Fe0.5Cu0.5Ba2YCu2O7.41超导体,而常压合成的Fe0.5Cu0.5Ba2YCu2O7.24是个绝缘体。利用XRD、SEM等手段,研究了合成条件对超导电性的影响,表明1000℃、6GPa是最佳的合成条件。磁化强度测量揭示出,弱铁磁性和超导电性可能通过形成自发涡旋相-SVP(spontaneousvortexphase)共存于Fe0.5Cu0.5Ba2YCu2O7.41超导体中。同时研究了Ca在Fe0.5Cu0.5Ba2YCu2O7.41超导体中的替代效应。在Fe0.5Cu0.5Ba2Y1-xCaxCu2O7+y超导体中,随着Ca含量的增大,Tc逐渐降低,这归因于载流子的过掺杂效应。
为了澄清高压充氧改善超导电性的原因,我们研究了不同Fe含量的FexCu1-xBa2YCu2O7+y体系(0≤x≤0.8)。XRD结果显示,所有的高压(合成)样品都具有四方结构,常压(合成)样品的晶格参数略大于高压样品。碘滴定测量表明,高压样品的氧含量比常压样品高。所有的高压样品都具有超导电性,Tc明显高于常压样品。为了精确确定高压前后Fe在晶格中的占位,以及Fe周围的氧原子配位情况,我们利用Mossbauer效应技术对比研究了高压样品和常压样品。结果表明,高压合成并没有使Fe从CuO2平面上向CuOx链转移。高压样品的Fe的平均价态,要高于常压样品,这可能是由于高压样品中氧含量增大的缘故。另外,对高压样品来说,CuO2平面上的Fe周围的氧环境,具有非常高的对称性。高压合成后,CuOx链上四重氧配位的Fe全部转变为五重和六重氧配位。也就是说,高压合成在原子尺度上改变了局域结构。
为了探索稀土离子替代Y后,对Fe0.5Cu0.5Ba2YCu2O7.41超导体物理性质的影响。我们利用同样的高压技术合成了Fe0.5Cu0.5Ba2RCu2O7+y(R代表稀土元素)系列超导体。对于所有的稀土元素来说,都可以占据R位置,形成单相的Fe0.5Cu0.5Ba2RCu2O7+y化合物。常压样品的氧含量明显低于高压样品。所有的常压样品都不超导;除Nd基高压样品外,所有的高压样品都具有超导电性。超导转变温度随着稀土离子半径的增大逐渐减小。我们将此现象归因于较大稀土离子所引起的CuOx链上Fe和Cu原子的无序。Yb、Ho、Er和Gd的高压样品磁化强度曲线的低温区,呈现出明显上扬,Tm的高压样品的磁化强度曲线上有明显的磁转变,我们将此归因于Yb3+、Tm3+、Ho3+、Er3+和Gd3+离子的低温反铁磁有序。
为了研究Ba-0层的应力对Fe0.5Cu0.5Ba2RCu2O7+y系统超导电性的影响。我们利用较小的Sr2+离子替代较大的Ba2+离子,合成了Fe0.5Cu0.5BaSrRCu2O7+y系列化合物。对于Fe0.5Cu0.5BaSrRCu2O7+y体系来说,基本上所有的稀土离子也可占据R位置,形成单相的化合物。尽管Fe0.5Cu0.5BaSrRCu2O7+y体系和Fe0.5Cu0.5Ba2RCu2O7+y体系的高压样品具有相同的氧含量,但前者的超导转变温度略低于后者。我们认为Ba-0层的应力,对载流子从载流子库层向CuO2面转移起着至关重要的作用。较小的Sr2+离子部分替代较大的Ba2+离子后,减小了Ba-0层应力,CuO2面上的载流子浓度降低,因此造成了Fe0.5Cu0.5BaSrRCu2O7+y体系的超导转变温度低于Fe0.5Cu0.5Ba2RCu2O7+y体系。